（等离子体物理专业论文）频率比对双频容性耦合等离子体sio2刻蚀的影响.pdf

l1 学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 、 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 l 非涉密论文回 论文作者签名：趋途e l 期：垫丝：垒，丝 导师签名： 南谚 量的解耦，也就是说，可以独立控制等离子体密度和离子能量，双频耦合等离子体的 这个特点拓宽了等离子体刻蚀工艺窗口，提高了双频耦合等离子体实现高保真介质的 刻蚀能力。 在本实验中，我们使用两种频率组合( 6 0 m h z 2 m h z ，4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 z ) 来 激发产生容性耦合等离子体，通过改变源气体流量比( r = c h f 3 ( c h f 3 】+ ) ) 、射 频源功率、自偏压等条件进行了s i 0 2 介质刻蚀的实验研究。实验结果显示：相比于低 频率比的频率组合，高频率比的频率组合激发产生的容性耦合等离子体更有利于频率 之间的解耦，有利于独立控制离子通量和离子能量；由于离子在鞘层中的功耗下降以 及电子的功耗上升，在高频率比的频率组合形成的碳氟等离子体的电子密度上升，介 质s i 0 2 的刻蚀速率高于4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z 的情形；介质s i 0 2 的刻蚀表面形貌表明高 频率比的频率组合有利于表面粗糙度的下降；介质s i 0 2 表面的x 射线光电子能谱测量 表明，基片表面的负偏压的增加不仅增强了碳氟层与s i 0 2 的反应，促进了s i 0 2 的刻蚀， 同时也增强了碳氟聚合层表面的反应，一些键能较弱的碳氟含量下降。 关键词：双频容性耦合等离子体，介质刻蚀，等离子体发射光谱，光电子结合能 作者：杨玲 指导老师：辛煜 英文摘要 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yh a se n h a n c e dt h el o w - t e m p e r a t u r e p l a s m ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt ob ec o n t i n u o u s l yi m p r o v e d t os a t i s f yt h eu l t r a - f i n el i n e w i d t he t c h i n go fd i e l e c t r i c sw i t hh i g l l p r e c i s i o nad u a l - f r e q u e n c ye x c i t e dc a p a c i t i v e c o u p l e dp l a s m as o u l c oh a db e e np r o p o s e d o nt h eo n eh a n d ，h i 。g hf r e q u e n c yp o w e rc a n g e n e r a t eah i l g h - d e n s i t yp l a s m a , o nt h eo t h e rh a n d ，l o wf r e q u e n c yp o w e ra p p l i e dt ot h e e l e c t r o d ec a nc o n t r o lt h ei o nb o m b a r d m e n te n e r g yo n t ot h ee l e c t r o d e w i t ha p p r o p r i a t e d u a l f r e q u e n c yc o n f i g u r a t i o n , d e c o u p l i n gt h ei o nf l u xa n di o ne n e r g yc a nb er e a l i z e d i n o t h e rw o r d s ，t h ei o nf l u xa n di o ne n e r g yi nt h ed u a l f r e q u e n c yc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a c a nb ec o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l y t h i sf e a t u r eo f d u a l - f r e q u e n c yc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a w i l le x p a n dt h ep l a s m ae t c h i n g p r o c e s sw i n d o wt oa c h i e v ea ne t c h i n ga b i l i t yw i n l 1 l i g h - f i d e l i t y i nt h i ss t u d y , w i t l lt w ok i n d so fd i f f e r e n tf r e q u e n c yc o n f i g u r a t i o n ( 6 0 m h z 2 m h za n d 4 0 6 8m h z 13 5 6 m h z ) t og e n e r a t ec a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a , e t c h i n ge x p e r i m e n t so f s i 0 2d i e l e c t r i ca r ei n v e s t i g a t e db yc h a n g i n gt h es o u l c ：eg a sf l o wr a t i o ( r = 【c h f 3 】 ( c h f 3 】+ 心】) ) ，r a d i of r e q u e n c ys o u r c ep o w e r , s e l f - b i a sv o l t a g ea n do t h e rc o n d i t i o n so f t h es i 0 2d i e l e c t r i ce t c h i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a t , c o m p a r e dt ot h el o wr a t i o f r e q u e n c yc o n f i g u r a t i o n , t h eh i g l lr a t i of r e q u e n c yc o n f i g u r a t i o ni sm o r eb e n e f i c i a li n d e c o u p l i n gt h et w of r e q u e n c i e s ，w h i c hh a v em o r ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo fi o nf l u xa n di o n b o m b a r d m e n te n e r g y ；a d d i t i o n a l l y , d u et oad e c r e a s ei np o w e rc o n s u m p t i o no fi o ni n s h e a t ha n dai n c r e a s ei np o w e rc o n s u m p t i o no fe l e c t r o ni nb u l kp l a s m a , h i g h e rf r e q u e n c y r a t i oc o n f i g u r a t i o ni sp r o p i t i o u st og e tah i g h e rd i e l e c t r i ce t c h i n gr a t et h a nl o w e r f r e q u e n c y r a t i oc o n f i g u r a t i o n t h er e s u l to fs i 0 2s u r f a c em o r p h o l o g ys h o w st h a tt h e f r e q u e n c y c o n f i g u r a t i o no fh i g hf r e q u e n c yr a t i oi sc o n d u c i v et ot h ed e c l i n ei ns u r f a c er o u g h n e s s t h e r e s u l t sf r o mx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yo fs i 0 2e t c h i n gs u r f a c es h o wt h a tt h e i n c r e a s eo fn e g a t i v eb i a sc a nn o to n l ye n h a n c er e a c t i o nb e t w e e nf l u o r o c a r b o nl a y e ra n d n u i 2 1 双频激发容性耦合等离子体实验装置1 1 2 2 射频匹配网络1 2 第三章实验诊断与测量方法 1 4 3 1 等离子体发射光谱方法1 4 3 2x 射线光电子能谱( x p s ) 1 8 3 3 原子力显微镜2 0 3 4 表面轮廓仪2l 第四章双频容性耦合碳氟等离子体的光谱及介质s i 0 2 的刻蚀行为 4 1 双频输入功率对极板自偏压的影响2 3 4 24 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z 的容性耦合等离子体的谱线强度变化2 4 4 3 双频激发容性耦合等离子体的介质s i 0 2 的刻蚀行为2 8 4 3 1 介质s i 0 2 的刻蚀速率随流量比r 的变化。2 9 4 3 2 介质s i 0 2 的刻蚀速率随高频源功率的变化3 0 4 3 3 介质s i 0 2 的刻蚀速率随基片负偏压的变化3 l 4 3 4 两种频率组合( 6 0 m h z 2 m h z 、4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m i - i z ) 对介质s i 0 2 刻蚀速率的对 ：3 ：1 4 4 两种频率组合对s i 0 2 介质刻蚀后的表面形貌比较。3 4 4 5s i 0 2 刻蚀表面的c l 。光电子能谱3 7 第五章结论 5 1 本文的主要结论4 0 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 致谢。 q 1 1 q l ! ； 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第一章序言 1 1 等离子体概述 第一章序言 等离子体是由带电的离子( 其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性 基团等) 组成的集合体，其中正电荷和负电荷量近似相等故称为等离子体，等离子体 是继固体、液体、气体之后的物质的第四态，它们在宏观上呈现电中性【1 1 。 等离子体的分类方法有许多种，按其温度的相对高低，则可分为高温等离子体 和低温等离子体。高温等离子体的温度范围高达1 0 6 一- - 1 0 9 k ，低温等离子体的温度从 室温到1 0 5k 左右。在自然界中，太阳和恒星都以高温等离子体的状态存在；在人工 条件下，可由受控热核聚变、火箭发动机射流等产生高温等离子体。 低温等离子体通常由气体放电或其他的热激发、光激发等方式产生，它一般是弱 电离、多成分的，并与其它物质有强烈的相互作用。根据电子、离子和中性粒子的热 平衡状态，低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体两大类。热等离子体是近 局域热平衡等离子体，如等离子体弧和等离子体炬等，其中包含的所有粒子( 电子、 离子和中性粒子) 具有大体一致的温度，达到几千至上万度，它常被应用于一些需要 进行高温处理的工艺，如等离子体冶金、切割和焊接等。冷等离子体是非平衡等离子 体，其中电子的温度远高于离子和中性粒子的温度，体系中电子温度可达数万度；而 中性气体分子代表的体系温度则很低，从稍高于室温至几百度。冷等离子体通常是由 低气压下的稀薄气体用直流、射频、微波等激发辉光放电或常压气体电晕放电、介质 阻挡放电而产生，常用于材料处理和微细加工。 低温等离子体物理与技术经历了一个由上世纪6 0 年代初的空间等离子体研究向 8 0 年代之后以材料为导向的研究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、 能源与材料科学等，为低温等离子体科学的发展带来了新的机遇和挑划啦】。现在， 低温等离子体物理的应用已经是一个具有全球影响的科学与工程，对高科技经济的发 展及传统工业的改造有着巨大的影响。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚 合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工及等离子体 第一章序言 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 三废处理等领域的潜在市场每年将达上千亿美元。 1 2 射频耦合等离子体源 低温等离子体技术【2 】也广泛应用于世界主要的半导体制造工业中，最常见的有 薄膜生长、干法刻蚀和表面处理等。利用射频电源放电产生较稳定的等离子体一直受 到很多关注，最早使用于半导体行业的是容性耦合等离子体( 简称c c p ，c a p a c i t i v e l y c o u p l e dp l a s m a ) 亥u 蚀，这种方法能够获得比较垂直的刻蚀侧边。之后，7 0 年代末到 8 0 年代初，日本等国开发过微波( 2 4 5 g h z ) 电子回旋共振等离子体( 简称e c rp l a s m a ， e l e c t r o nc y c l o n er e s o n a n c ep l a s m a ) ，它可产生1 0 1 0 1 2 c m q 的等离子体密度，但这 种技术需要两个很大的磁场线圈，设备庞大、造价很高，而且由于磁场的存在而导致 等离子体不够均匀；8 0 年代末到9 0 年代初，美国和澳大利亚等国研究出了螺旋波等 离子体( 简称h w p ，h e l i c o nw a v ep l a s m a ) ，这种技术可使用射频1 3 5 6 m h z ，磁场也 只需要0 0 1 t 左右即可达到e c r 的等离子体的密度，且造价大为降低，这就为亚微 米加工提供了一种可选择的方法。9 0 年代初期出现了一种新型电感耦合等离子体源 ( 简称i c p ，i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c e ) ，它的优点在于能产生低温、高密度等 离子体，而且本身是无电极放电，没有电极污染。再到目前比较热门的双频容性耦合 等离子体放电，两个不同频率的射频电源共同驱动：频率较高电源用于产生高密度的 等离子体，即控制等离子体的密度进而控制轰击基片的离子通量；而频率较低电源用 来控制离子在鞘层中的运动特性，即低频电源主要控制刻蚀离子的能量。 1 2 1 容性耦合等离子体放电 电容耦合射频放电系统也称作“射频二极放电系统”，它包括一个真空腔体，内 有两个接到射频电源的平板电极，射频输入功率通过电容耦合的方式，通过匹配网络 耦合给等离子体，容性耦合等离子体( c c p ) 主要用于反应性等离子体刻蚀工艺【旧。 在c c p 放电中，电极和等离子体间形成一个高压容性鞘层，流过鞘层区的射频 电流导致了鞘层区内的随机加热( 或称无碰撞加热) ，而流过主等离子体区的射频电 流则导致了主体区内的欧姆加热( 或称碰撞加热) 。由于c c p 电极间的电场分布比较 2 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第一章序言 均匀，因此利用c c p 放电可以获得比较均匀的等离子体。在较低的气压下( 通常 s i f ，c 0 2 1 6 在施加在基片表面的负偏压的作用下，等离子体中的离子在偏压的诱导下轰击衬 底表面，离子能量被表面吸收后在聚合膜体内有效传递，并被中间产物吸收，从而使 得中间产物分解生成挥发性的s i f x 与c 0 2 ，介质在在这样的物理与化学过程中得以不 断的刻蚀，反应式如下： 弘c d 2 山溉个+ c d 2 个 1 7 从以上的刻蚀反应机制可以看出，聚合膜的厚度及化学结构直接影响着高能离子 的能量传递以及中间反应物的产生与分解，也深刻地影响着s i 0 2 介质的刻蚀速率。 另外，介质的刻蚀速率在很大一程度上取决于等离子体中碳氟基团的含量、表面温度 箜 2 2 1 弋了 o 氟碳气体刻蚀s i 0 2 时，首先会在基片上形成一层薄的氟碳层，刻蚀过程中氟碳 层的沉积、氟碳层的刻蚀、基片的刻蚀是同时进行的。氟碳层的沉积、氟碳层的刻蚀 与源气体的化学组成有很大的关系2 3 1 。在碳氟等离子体中，衬底表面的聚合层厚度除 与输入的碳氟气体种类相关外，还与基片表面的自偏压密切相关。衬底的刻蚀速率与 偏压的曲线关系存在三个工作区域：沉积区，抑制区，刻蚀区。在低偏压条件下，主要 表现为碳氟层的沉积；随着偏压得增加，表面刻蚀通量的增加导致了碳氟层的沉积速 率显著降低，在抑制区碳氟层的沉积和表面刻蚀通量是相平衡的，一旦偏压功率再增 加，刻蚀成分就会大于沉积成分，从而衬底表面表现为刻蚀，而且会随着偏压功率的 9 第一章序言 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 增加显著上升刚。 x il i t 2 5 】等人研究了电感耦合等离子体放电中在c 4 f 8 中加心、n e 、h e 对于放电 等离子体特性的影响。心的加入可以得到最大的离子流密度，而h e 的加入在三者中 离子流密度是最小的。这三种中性粒子的加入，在各自的离子流中，斛占了最大 的百分比，而h e + 所占的百分比是最小的。而c f + ，c f 3 + ，c f 2 + 这些主要的碳氟离 子在三种等离子体中的变化趋势是一样的。n e 、h e 掺杂的c 4 f 8 放电要比缸掺杂的 c 4 f 8 放电有更高的无关的c + ，f ，s i f x + c o f z 流。 h t k i m1 2 6 和c h l e e 【2 7 】等人做了相近的研究工作：使用相同的三种频率组合 6 0 m h z 2m h z 频率组合( 频率比为3 0 ) ，2 7m h z 2m h z 频率组合( 频率比为1 3 5 ) ， 1 3 5 6m h z 2m h z ( 频率比为7 ) 】研究双频容性耦合等离子体中刻蚀速率与频率组合 的关系。他们的实验结果均表明：在高频功率与低频功率的频率比差异较大的时候， 基片表现出较大的刻蚀速率，究其原因为独立控制离子通量和离子能量的能力增强 了。 1 4 本文的研究内容 正如前节所述，在双频容性耦合等离子体源中，高频电源的使用是为了提高等离 子体的密度【2 】，低频电源的使用是为了控制离子轰击基片的能量，但是当高频电源和 低频电源同时驱动等离子体时，尽管可以通过提高高低频率比以试图解除频率之间的 耦合，但是仍然存在一定程度上的相互干扰。频率之间的耦合是如何发生相互影响的， 在碳氟等离子体中，双频之间的耦合又是如何影响介质刻蚀的，等等，均需要人们做 细致的实验与分析。 本文中，我们使用双频激发的电容耦合碳氟等离子体对介质s i 0 2 进行了刻蚀实 验，所采用的激发频率组合分别是4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z ( 频率比为3 ：1 ) ， 6 0 m h z 2 m h z ( 频率比为3 0 ：1 ) ，分别研究了：双射频功率对电极板偏压的影响； 4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z 激发的碳氟等离子体中的光谱：介质s i 0 2 的刻蚀速率随宏观参 量( 如气体流量比、源功率、负偏压等) 的变化规律；两种频率组合对介质s i 0 2 刻 蚀形貌的比较；介质s i 0 2 刻蚀表面的成份分析，等。并针对所观察的实验现象给出 合理的解释。 1 0 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第二章双频激发容性耦合等离子体实验装置 第二章双频激发容性耦合等离子体实验装置 本章中第一节将主要描述本实验中使用的自制双频激发容性耦合高密度等离子 体源的装置，第二节将描述双频容性耦合等离子体的自偏压随两种射频功率变化情 况。 2 1 双频激发容性耦合等离子体实验装置 双频激发的容性耦合等离子体的实验装置如图2 1 所示： 图2 1 实验装置示意图 低频 实验用的真空腔体为轴对称的圆筒式不锈钢结构，腔体内配有不对称的对地屏蔽 的上、下铝制电极板，上极板直径2 2 0 m m ，下极板直径为2 0 0 m m ，电极的绝缘材料 为聚四氟乙烯，其外包裹有接地的不锈钢材质。真空室器壁接地，腔室相对于放电中 心具有轴对称性。 第二章双频激发容性耦合等离子体实验装置频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 上、下极板可沿着轴向上下移动以调整极板间距，两个电极板可经由射频匹配器 与射频功率源连接，以形成双射频激发的电容耦合放电体系。在本实验中，两个电极 板间距适中保持在5 0 m m 。上极板设有大量的微气体入口，反应气体以喷淋方式进入 到真空腔体内，提高等离子体刻蚀的均匀性。 真空室上留有若干窗口，可以作为观察窗、静电探针法兰口、等离子体发射光谱 窗口、红外吸收光谱窗口等。真空室底部为抽气系统，该抽气系统由机械泵和涡轮分 子泵组成，真空腔体和真空机组之间设有蝶阀，以控制真空腔体内的气体总量，流量 控制器用来控制反应气体的流量，真空腔体上所连接的热偶规和电离规分别用来测量 腔体的真空度，该系统的本底真空小于1 0 刁p a 。 在本实验中，上极板接高频射频源，下极板接低频射频源。高频功率激发产生高 密度等离子体，控制等离子体的密度；低频功率用以到达下极板表面的离子能量【l 】。 本实验中使用石英玻璃( 主要成分为s i 0 2 ) 作为刻蚀用基片。 本实验中使用的反应气体为c h f 3 和a r ，等离子体放电过程中采用等离子体发射 光谱监测放电产生的激发基团。刻蚀结束后，石英介质的刻蚀深度将使用e t 3 5 0 台 阶仪进行测量，衬底的粗糙度将由原子力显微镜( a f m ) 进行观察，刻蚀后s i 0 2 介 质表面的元素含量及其键能利用x p s 进行测量。 2 2 射频匹配网络 射频匹配网络是连接射频电源和放电极板之间的一个射频部件，通过调节其中的 射频原件如可调的纵横电容或者可调电感，实现射频功率的最大传输。 本实验中主要采用了图2 2 中所示的“万型网络”。所产生的等离子体可以看成是 一个可变负载，阻抗可以表示为z d = 如+ 风，这里如是等离子体的电阻，是 等离子体的电抗。可以用一个戴维南( m v e i l i n ) 等效电路来模拟连接在厶d 上的电源， 该等效电路由一个复幅度为巧的的理想电压源与一个电源内阻辱串联组成。流进等 离子体的时间平均功率为 户= 寺r e ( 乃己) 1 2 其中乃是加在z d 上的复电压。求解在这个串联回路中的己和略，得 歹= 狮( 吩+ r d ) z + 矗 。堕：o 堕：o 当电源参数巧和辱给定时，令和，可得传输功率的最大值。而 声一l 噬p = 二l 二一l 电源传递给负载的最大功率应为一8 辱。 阻隰| 一囫 l 。0 0 0 二一卤、 高尚一 - 国r 囡 一l 二 l lili l 功率源 型网络 l 等离子体 第三章实验诊断与测量方法 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 第三章实验诊断与测量方法 在本次实验中，我们主要使用等离子体发射光谱研究了碳氟等离子体的一些激发 态基团谱线强度的变化情况，采用了e t 3 5 0 表面轮廓仪表征介质s i 0 2 的刻蚀深度， 采用原子力显微镜观察刻蚀介质表面的形貌，并采用x 射线光电子能谱仪分析刻蚀 表面尤其是c l 。的化学状态。 3 1 等离子体发射光谱方法 光谱方法是诊断含有复杂化学过程的等离子体的强有力工具，而且对等离子体没 有干扰就可以得到等离子体中丰富的信息。主要的对等离子体研究的光诊断技术有： 激光诱导荧光光谱技术( l ) ，发射光谱，红外吸收光谱等。其中发射光谱的设备较 为简单，它被广泛的研究等离子体的中间过程。常见的发射光谱仪是通过光学聚焦系 统或导电光缆将辐射光送入光栅单色仪，然后经过光电倍增管、放大器对发射光谱进 行接收处理和放大，最后记录下来。现在的发射光谱仪通过计算机系统可以比较方便、 直观的记录光谱。 在等离子体中，光的发射起因于电子的碰撞或电子的碰撞分解 彳+ e 专a + e 3 1 么b + e - - 9 , a + b + e 3 2 或离子碰撞过程彳+ + e ( + m ) 专a 。( + m ) 3 3 这些过程产生的激发态彳然后以发射光子的形式进行退激发 彳专彳”+ h v3 4 在上述公式中，符号表示处于激发态的发射粒子，p ( + m ) 表示中性粒子，负离 子，电子加上一个第三体或与等离子体接触的表面。彳”是基态或能级比彳低的状态。 1 4 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第三章实验诊断与测量方法 当然化学反应也可以引起某种粒子处于激发态。 a + b cja b + c 呻a b + c + h v3 5 因此通过分析光谱中的特征谱线可以推测某些粒子是否存在。比如在半导体生产 中，最常见的应用是利用发射光谱根据刻蚀产物或反应物发射谱线的明显变化来确定 刻蚀终点。 通过一些简单的假设，还可以从发射光谱中特征谱线的强度来半定量的分析等离 子体中的基团信息。谱线的强度正比于这种粒子的密度【x 】 i x = 口；i x 】 其中比例系数仃；( 占) 是一个常量，由下式可以给出 3 6 口：= c c 点q ( p ，咒。妙；( 占) 札( 占) 如 3 7 其中，e 是依赖于仪器的一个常量 盯；( 占) 与电子能量有关的碰撞截面 札( g ) 在能量间隙如内被探测到的电子数目 q ( p ，疗。) 与气压和电子密度相关来自激发态粒子的光发射的量子产额 根据上面两式，很明显口；不是一个常量，原因在于札( s ) 依赖于输入功率和混合气体， 而q ( p ，以。) 依赖于气压和混合气体。 为了解决这个问题，c o b u r n 和c h c n 2 8 1 发展了光强标定的发射光谱技术( a o e s ) 。 在这个技术中，少量的惰性气体被加入到放电的等离子体中作为一个参考量。通过探 测待测基团x 和参考基团a 的谱线强度，在满足以下条件： ( 1 ) 粒子从基态到激发态的过程主要以电子碰撞的过程和进行。 ( 2 ) 退激过程以光发射的形式进行。 ( 3 ) 待测基团x 和参考基团a 的电子碰撞截面对电子能量分布函数有接近的以 第三章实验诊断与测量方法 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 来关系。 则有如下的关系， 筹= t 器lc 【彳】 其中，屯是一个不被等离子体参量影响的常数。 需要指出的是虽然第一、二个条件在实际测量中通常可以满足，但是，由于作为 参考量的气体常局限在氦气、氩气和氮气，所以第三个条件通常很难很好的满足。尽 管这样，a o e s 仍然在实验中得到使用并且很好的给出基团在外部条件影响下的变化 趋势。有学者甚至认为：即使三个条件都不满足，a o e s 也可以应用。总之，虽然 a o e s 不是一个很精确的技术，但它可以用来很好的估计等离子体中基团的变化趋 势，也可以用来判断等离子体中是否存在某些基团。 图3 1 是本实验进行发射光谱实验的实时采集系统，用于对双频激发容性耦合等 离子体放电的实时原位诊断。等离子体中粒子发射的光信息经过石英窗口，由光纤送 到$ 2 0 0 0 型光谱计，然后由计算机处理以获得光谱信息。 图3 1 光谱诊断示意图 光谱法包括发射光谱法和吸收光谱法。发射光谱技术利用了等离子体光辐射原 理，是一种非接触式的诊断方法，对被测等离子体没有影响。采用光谱技术对等离子 体进行研究的方法有很多，例如：利用分子带状光谱确定等离子体气体温度，利用辐 射光谱线的相对强度来估算电子温度和利用原子线状谱的谱线展宽来计算电子浓度 和原子密度，对等离子体的发光进行光谱分析，测定等离子体中存在的分子及原子的 1 6 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第三章实验诊断与测量方法 激发和离子化的状态，进一步根据所测得的光谱信息计算出电子温度及分子和离子的 振动和转动温度。吸收光谱则可对发射光谱不能测定的粒子或基团进行认定。 在本实验中使用的发射光谱仪为荷兰a v a n t e s 公司生产的a v a s p e c 2 0 4 8 f t - 8 r m 型光纤光谱仪，该型光谱仪是基于a v a b e n c h 7 5 光学平台生产的，采用对称光路设计。 a v a s p e c 光谱仪结构主要包括：光纤接头( 标准s m a 接口) 、准直镜、聚焦镜、衍射 光栅、c c d 探测器等，如图3 2 所示。 图3 2a v a s p e c 光谱仪基本结构 它的c c d 探测器阵列像素为2 0 4 8 个点，焦距为7 5 m m ，狭缝为0 0 1 m m 。c c d 探测器与一块电路板相连，该电路板包括1 4 位a d 转换卡和u s b r s 2 3 2 接口。与 采用交叉式光学平台的光谱仪相比，选用相同线对数的光栅和入射狭缝时，a v a n t e s 光谱仪具有更高的分辨率和更大的测量范围。同时，a v a n t e s 的光路设计中，入射焦 距和色散焦距是严格的1 ：1 关系，c c d 上所成的像没有像差是完美的直线。该光谱仪 所采用的1 4 位a d 转换卡与1 2 位转换卡相比，光谱图的y 轴分辨率要高4 倍左右， 动态范围更大。 a v a s p e c 2 0 4 8 f t - s r m 型光纤光谱仪具有8 个不同的通道，由仪器主板上的微处 理器统一控制，不同通道间可以实现同步采样。多通道同步数据采集可以使光谱仪快 速读出数据，可以用来对瞬态事件进行监控，如用光谱仪的不同通道来监测脉冲光源 的相同脉冲。很多其他类型的多道光谱仪，其各个通道间是时间顺序采集，所以不同 1 7 第三章实验诊断与测量方法频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 的通道( 波段 所采集的信号是在时间上先后发生的事件，测量结果不能真实地反映 被测信号。而a v a s p e c 光纤光谱仪则可以做到真正意义上的同步数据采集。该型光谱 仪的另一个创新之处是，对采样数据先由电路板上的微处理器进行平均，然后把平均 后的数据用同一个u s b 接口传送到计算机，从而大大加快了数据传输速度，缩短传 输时间。a v a s p e e 光谱仪中所有的光学元件与电路板间都采用无应力装配，所以当电 路板产生热量时，由此产生的热飘移很小，使产品能够应用于恶劣的环境。 a v a s p e c 2 0 4 8 f t - 8 r m 型光谱仪测量的波长范围为2 0 0 1 0 7 8 n m ，其各个通道的光 栅类型、覆盖的波长范围、光栅线对数，和分辨率如表2 1 所示。 表2 1a v a s p e e - 2 0 4 8 f t - 8 r m 型光谱仪各个通道的参数 本文中通过利用光谱来测量刻蚀相关原子、离子、基团的发射谱线的强度来间接 测量等离子体放电过程中基团的离化程度，用于辅助解释刻蚀速率随刻蚀参量条件改 变的原因。 3 2x 射线光电子能谱p s ) 固体样品在光波的激发下，产生电子发射，这就是著名的爱因斯坦光电效应。 当光波的频率为y 时，光电效应过程的能量关系为 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响第三章实验诊断与测量方法 n , = e b + e l , 式中为h 普朗克常数，色为某能级上电子的电离能或结合能，& 为发射电子的动能。 对于给定能级上的电子，电离能有一个明确的最小阈值光电子能量枷。，只有满足 | n ，n , 。时，才能产生光电子发射现象。当入射光束的能量大于电离阈值胁。时，则 具有电离不同能级电子的能力。因此，这种光电离过程会产生多种能量的光电子发射。 也就是说，光电子有一个能量分布，分布函数记为，l ( 巨) 。疗( b ) 与发射电子动能e 之间的关系，即为光电子能谱。使用x 射线为激发源的光电子能谱称为x 射线光电 子能谱，通过分析相关数据，可以得到有关电子态的信息。 各种元素的电子组态是不同的，即使对同一壳层上的电子其束缚能也不一样。由 于芯态电子所受干扰小，因此可用测得的芯态电子的结合能来表征和区别各种元素。 上述方法测得的是定性的能谱图，也可以作定量测量，这时要求对谱峰强度作精确的 记录，然后按 n i | nj = i i s ji i , s 进行计算。上式中m 、n j 分别为两种待测元素的原子浓度，i i 、为对应元素的谱 峰强度，墨、s ，为所对应元素的灵敏度因子。只要知道其中一种元素的浓度，通过 测量两种元素的谱峰强度即可定量地得到另一种元素的浓度值( 墨、s ，可从谱仪上 得出) 。如果两种元素的浓度都不知道，通过谱峰强度的测量按3 1 1 式也能得出它们 之间的相对浓度值。 x p s 作为一种现代分析方法，具有如下特点： ( 1 ) 可以分析除h 和h e 以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数 量级。 ( 2 ) 相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性 强。 ( 3 ) 能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化 1 9 第三章实验诊断与测量方法频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 学位移信息是x p s 用作结构分析和化学键研究的基础。 ( 4 ) 可作定量分析。即可测定元素的相对密度，又可测定相同元素的不同氧化 态的相对密度。 ( 5 ) 是一种高灵敏超微量表面分析技术。样品分析的深度约为2 0 a ，信号来自 表面几个原子层，样品至少可至1 0 8 9 ，绝对灵敏度高达1 0 。1 8 9 。 从上面的介绍可以知道，x p s 信息来自样品表面几个至十几个原子层，因此在实 验时需要保证所分析样品的表面能代表真实的样品固有表面，即样品应该是洁净的。 事实上，除了对样品的x p s 测试是原位进行的情况，离位被测试样品的表面大多受 到外界环境的污染。因此。在实际操作过程中，人们通常对样品表面用时离子刻蚀， 除去表面污染物，但要注意的是刻蚀可能会引起样品表面化学性质的变化，有的样品 会发生氧化或还原反应。 在x p s 测试中，另外一个经常碰到问题是绝缘体的荷电效应，它会影响测定的 结果。当样品受x 射线照射激发出电子后，正的空穴留在样品上，如果样品是导体， 阿谱仪有良好的电接触，则正电荷就立即被来自样品托的传导电流所中和。如果样品 是半导体或绝缘体，则来自谱仪的传导电流不能完全中和样品表面的正电荷，其中和 的程度取决于样品表面和谱仪之间的电阻值。同时，x 射线源的韧致辐射照射到x 射线过滤窗和样品室内部产生的低能电子及其它二次电子会中和样品表面的一部分 正电荷，达到动态平衡时样品表面有稳态静电荷。在通常的情况下，样品表面荷正电， 使发射出的光电子动能减小，因而测得的结合能大于真实值。 对于本实验的刻蚀表面通常含有碳氟聚合层，由于它是介质薄膜，因此x p s 测 试过程中的荷电效应是不可避免的。但它是均匀的薄膜，所以各部分的荷电程度应该 上是一样的，这样引起的结合能的漂移是整体的，整个x p s 图谱的形状不会改变， 仍然可以得到需要得到的信息。 3 3 原子力显微镜 原子力显微镜是一种利用原子，分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的 频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 第三章实验诊断与测量方法 新型实验技术，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。 它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样 品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微 悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当 针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分 辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。a f m 测量对样品无特殊要求，可测量 固体表面、吸附体系等。 它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作 用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一 端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运 动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息， 从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。 我们利用原子力显微镜来得出s i 0 2 刻蚀后的表面形貌以及它的粗糙度。 3 4 表面轮廓仪 表面轮廓仪也称为台阶仪，属于接触式表面形貌测量仪器。其测量原理是：当触 针沿被测表面轻轻滑过时，由于表面有微小的峰谷使触针在滑行的同时，还沿峰谷作 上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。传感器输出的电信号经测量电 桥后，输出与触针偏离平衡位置的位移成正比的调幅信号。经放大与相敏整流后，可 将位移信号从调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信 号。再经噪音滤波器、波度滤波器进一步滤去调制频率与外界干扰信号以及波度等因 素对粗糙度测量的影响。 根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式3 种。电感式采用电感位移传感器作为敏感元件，测量精度高、信噪比高，但电路处理 复杂；压电式的位移敏感元件为压电晶体，其灵敏度高、结构简单，但传感器低频响 应不好、且容易漏电造成测量误差；光电式是利用光电元件接收透过狭缝的光通量变 化来检测位移量的变化。 2 l li。l 第三章实验诊断与测量方法频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 台阶仪测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好，此外它还可以作 为其它形貌测量技术的比对。 我们在实验过程中使用的是e t 3 5 0 型台阶仪，其测量精度为l n m ，最大扫描长 度为1 0 m m 。 是说，特定波长的光谱线对应着等离子体中相应的基团，可以通过光谱线的强度近似 的给出基团的相对浓度。本章第一节主要阐述了双频( 4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z ) 激发的 容性耦合等离子体中对彼此自偏压的影响；第二节将着重分析4 0 6 8 m h z 1 3 5 6 m h z 频率组合激发产生的容性耦合碳氟等离子体的光谱行为，第三节主要分析介质s i 0 2 表面在不同频率组合激发的碳氟等离子体中的介质刻蚀行为，第四节将说明两种频率 组合下的介质刻蚀后的表面形貌的影响，第五节将说明高低偏压条件下衬底表面碳原 子的化学状态，进一步揭示刻蚀机理。 4 1 双频输入功率对极板自偏压的影响 对于本实验的双射频双电极的装置来说，当射频功率施加到电极板上时，就会在 电极板上形成一振荡的鞘层，由于电子和离子质量的巨大差异，在电极板上就会产生 一个负的自偏压【2 】。如果有另一个射频电源施加在另一个电极板上时，前一个射频产 生的自偏压就会通过体等离子体受到后一个射频功率的调制。也就是说在两个电极表 面上同时施加两个不同频率的射频功率时，两个频率会存在或多或少的耦合。 图4 1 显示了不同的射频输入功率对各自电极表面产生的自偏压的影响情况，放电 气体为m 气，气压为2p a ，上极板施j j h 4 0 6 8m h z 的高频功率，下极板施n 1 3 5 6m h z 的低频功率。通常讲，极板表面产生的自偏压和电极上施加的射频功率近似满足如下 关系式圆： 形形口 c ， 其中，w ，a 分别是射频输入功率和指数。在我们的实验中，指数a - - 0 5 。从图4 1 可 以看出，当4 0 6 8m h z 的高频输入功率施加到上极板时，施加在下极板上的1 3 5 6m h z 低频功率产生的自偏压发生了轻微的下降，这主要是由于高频功率的增加导致了体等 fl。ili卜 第四章双频容性耦合碳氟等离子体的光谱及硅基的刻蚀行为频率比对双频容性耦合等离子体s i 0 2 刻蚀的影响 离子体密度的增加，从而引起了